Характеристики радиолокационного сигнала - Radar signal characteristics

А радиолокационная система использует радиочастота электромагнитный сигнал отраженный от цели, чтобы определить информацию об этой цели. В любом радар В системе переданный и принятый сигнал будет обладать многими характеристиками, описанными ниже.

Радиолокационный сигнал во временной области

На диаграмме ниже показаны характеристики передаваемого сигнала во временной области. Обратите внимание, что на этой и всех диаграммах в этой статье ось x преувеличена, чтобы пояснение было более ясным.

Перевозчик

Перевозчик - это РФ сигнал, обычно микроволнового диапазона, который обычно (но не всегда) модулированный чтобы система могла собирать необходимые данные. В простых радарах для измерения дальности несущая будет импульсной модуляцией и в непрерывная волна системы, такие как Доплеровский радар, модуляция может не потребоваться. Большинство систем используют импульсная модуляция с другими дополнительными модулирующими сигналами или без них. Обратите внимание, что при импульсной модуляции несущая просто включается и выключается синхронно с импульсами; модулирующий сигнал фактически не существует в передаваемом сигнале и конверт формы импульса извлекается из демодулированной несущей в приемнике. Хотя это очевидно при описании, этот момент часто упускается из виду при первом изучении передачи импульсов, что приводит к неправильному пониманию природы сигнала.

Ширина импульса

Ширина импульса (${displaystyle au}$) (или длительность импульса) передаваемого сигнала - это время, обычно в микросекундах, за которое длится каждый импульс. Если пульс не идеальный прямоугольная волна, время обычно измеряется между 50% уровнями мощности нарастающего и спадающего фронтов импульса.

Ширина импульса должна быть достаточно большой, чтобы радар излучал достаточно энергии, чтобы отраженный импульс мог обнаруживаться его приемником. Количество энергии, которое может быть доставлено к удаленной цели, является результатом двух вещей; пиковая выходная мощность передатчика и продолжительность передачи. Следовательно, ширина импульса ограничивает максимальный диапазон обнаружения цели.

Ширина импульса также ограничивает дискриминацию по дальности, то есть способность радара различать две цели, которые находятся близко друг к другу. В любой дальности с аналогичными углами азимута и возвышения и с точки зрения радара с немодулированным импульсом, разрешение по дальности примерно равно половине длительности импульса, умноженной на скорость света (примерно 300 метров в микросекунду).

Ширина импульса также определяет мертвую зону радара на близком расстоянии. Пока радиолокационный передатчик активен, вход приемника заглушен, чтобы избежать перегрузки (насыщения) усилителей или (что более вероятно) повреждения. Простой расчет показывает, что радиолокационному эхо-сигналу потребуется примерно 10,8 мкс, чтобы вернуться от цели на расстоянии 1 статутной мили (считая от переднего фронта импульса передатчика (Т₀), (иногда известный как основной удар передатчика)). Для удобства эти цифры также могут быть выражены как 1 морская миля за 12,4 мкс или 1 километр за 6,7 мкс. (Для простоты во всех дальнейших обсуждениях будут использоваться метрические числа.) Если ширина импульса радара составляет 1 мкс, то не может быть обнаружение целей ближе, чем примерно 150 м, потому что приемник гаснет.

Все это означает, что разработчик не может просто увеличить ширину импульса, чтобы получить больший диапазон, без влияния на другие факторы производительности. Как и во всем остальном в радиолокационной системе, необходимо идти на компромиссы в конструкции радиолокационной системы, чтобы обеспечить оптимальные характеристики для ее роли.

Частота следования импульсов (PRF)

Чтобы создать различимое эхо, большинство радиолокационных систем излучают импульсы непрерывно, и частота повторения этих импульсов определяется ролью системы. Таким образом, эхо-сигнал от цели будет «рисоваться» на дисплее или интегрироваться в процессор сигналов каждый раз, когда передается новый импульс, усиливая возврат и облегчая обнаружение. Чем выше используется PRF, тем больше окрашивается цель. Однако с более высоким PRF дальность, которую радар может «видеть», уменьшается. Разработчики радаров стараются использовать максимально возможную частоту повторения импульсов, соизмеримую с другими ограничивающими ее факторами, как описано ниже.

Есть два других аспекта, связанных с PRF, которые разработчик должен очень тщательно взвесить; характеристики ширины луча антенны и требуемую периодичность, с которой радар должен сканировать поле зрения. Радар с шириной луча по горизонтали 1 °, который охватывает весь горизонт 360 ° каждые 2 секунды с частотой повторения импульсов 1080 Гц, будет излучать 6 импульсов по каждой дуге в 1 градус. Если приемнику требуется не менее 12 отраженных импульсов одинаковой амплитуды для достижения приемлемой вероятности обнаружения, то разработчик может выбрать три варианта: удвоить частоту повторения импульсов, уменьшить вдвое скорость развертки или удвоить ширину луча. На самом деле используются все три варианта в разной степени; Дизайн радара - это компромисс между конфликтующими давлениями.

Чередование PRF

Постепенная частота повторения импульсов - это процесс передачи, при котором время между запросами от радара немного изменяется, узорчатым и легко различимым повторяющимся образом. Изменение частоты повторения позволяет радару на основе от импульса к импульсу различать отраженные сигналы от его собственных передач и отражения от других радиолокационных систем с такой же PRF и аналогичной радиочастотой. Рассмотрим радар с постоянным интервалом между импульсами; отражения от цели появляются в относительно постоянном диапазоне, зависящем от времени полета импульса. В сегодняшнем очень загруженном радиочастотном спектре может быть много других импульсов, обнаруживаемых приемником, либо непосредственно от передатчика, либо как отражения от других источников. Поскольку их кажущееся «расстояние» определяется путем измерения их времени относительно последнего импульса, переданного «нашим» радаром, эти «помеховые» импульсы могут появиться на любом видимом расстоянии. Когда частота повторения импульсов «помехового» радара очень похожа на «нашу», эти видимые расстояния могут изменяться очень медленно, как и реальные цели. Используя ступенчатый сдвиг, разработчик радара может заставить «помехи» беспорядочно прыгать вокруг видимого диапазона, препятствуя интеграции и уменьшая или даже подавляя его влияние на истинное обнаружение цели.

Без смещения PRF любые импульсы, исходящие от другого радара на той же радиочастоте, могут казаться стабильными во времени и могут быть ошибочно приняты за отражение от собственной передачи радара. При смещении PRF собственные цели радара кажутся стабильными по дальности относительно передаваемого импульса, в то время как «заглушающие» эхо-сигналы могут перемещаться в видимом диапазоне (некоррелированными), заставляя их отклоняться приемником. Постепенная частота повторения импульсов - это только один из нескольких аналогичных методов, используемых для этого, включая частоту повторения импульсов с дрожанием (при которой синхронизация импульсов изменяется менее предсказуемым образом), частотно-импульсная модуляция и несколько других подобных методов, основная цель которых - снизить вероятность непреднамеренная синхронность. Эти методы широко используются в морских и навигационных радарах, которые на сегодняшний день являются самыми многочисленными радарами на планете Земля.

Беспорядок

Беспорядок относится к радиочастота (RF) эхо от целей, которые не интересны операторам РЛС. К таким целям относятся природные объекты, такие как земля, море, осадки (например, дождь, снег или град), песчаные бури, животные (особенно птицы), атмосферные турбулентность, и другие атмосферные эффекты, такие как ионосфера размышления метеор тропы и спайк с тремя телами. Беспорядок также может быть возвращен от искусственных объектов, таких как здания, и, намеренно, с помощью радиолокационных средств противодействия, таких как мякина.

Некоторый беспорядок также может быть вызван длинным радаром волновод между приемопередатчиком радара и антенной. В типичном индикатор положения плана (PPI) радар с вращающейся антенной, это обычно будет видно как «солнце» или «солнечные лучи» в центре дисплея, когда приемник реагирует на эхо от частиц пыли и ошибочно направленную радиочастоту в волноводе. Регулировка времени между отправкой передатчиком импульса и включением каскада приемника обычно уменьшает солнечные лучи, не влияя на точность диапазона, поскольку большинство солнечных лучей вызвано рассеянным передающим импульсом, отраженным до того, как он покинет антенну. Помехи считаются источником пассивных помех, поскольку они появляются только в ответ на сигналы радара, посылаемые радаром.

Беспорядок обнаруживается и нейтрализуется несколькими способами. Беспорядок в промежутках между сканированиями радара обычно статичен; при последующих отсканированных эхосигналах желаемые цели будут казаться движущимися, и все стационарные эхо-сигналы могут быть устранены. Загрязнение моря можно уменьшить за счет горизонтальной поляризации, а количество дождя - за счет круговая поляризация (обратите внимание, что метеорологические радары желают противоположного эффекта, и поэтому используют линейная поляризация для обнаружения осадков). Другие методы пытаются увеличить отношение сигнала к помехам.

Беспорядок движется по ветру или неподвижен. Две распространенные стратегии улучшения мера или производительность в беспорядочной среде:

• Индикация движущейся цели, который объединяет последовательные импульсы и
• Доплеровская обработка, которая использует фильтры для отделения помех от желательных сигналов.

Самый эффективный метод уменьшения беспорядка - импульсно-доплеровский радар с Взгляд вниз / сбивание возможности. Допплер отделяет беспорядок от самолетов и космических кораблей с помощью частотный спектр, поэтому отдельные сигналы могут быть отделены от нескольких отражателей, расположенных в одном объеме, с помощью разницы скоростей. Для этого требуется когерентный передатчик. Другой метод использует индикация движущейся цели который вычитает принимаемый сигнал из двух последовательных импульсов, используя фазу для уменьшения сигналов от медленно движущихся объектов. Это может быть адаптировано для систем, в которых отсутствует когерентный передатчик, например импульсный радар во временной области.

Постоянная частота ложных тревог, форма Автоматический контроль усиления (AGC) - это метод, который полагается на возвращаемые помехи, намного превосходящие по количеству эхо от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это помогает различать сильные источники целей. В прошлом АРУ радара управлялись электроникой и влияли на усиление всего приемника радара. По мере развития радаров AGC стала управляться с помощью программного обеспечения и влиять на усиление с большей детализацией в конкретных ячейках обнаружения.

Радар многолучевого распространения эхо от цели вызывают появление призраков.

Помехи также могут возникать из-за многолучевых эхо-сигналов от действительных целей, вызванных отражением от земли. атмосферный воздуховод или же ионосферное отражение /преломление (например., Аномальное распространение ). Этот тип беспорядка особенно неприятен, поскольку кажется, что он движется и ведет себя как другие обычные (точечные) цели, представляющие интерес. В типичном сценарии эхосигнал самолета отражается от земли под землей и воспринимается приемником как идентичная цель ниже правильной. Радар может попытаться объединить цели, сообщая о цели на неверной высоте или устраняя ее на основе дрожь или физическая невозможность. Подавление отскока от местности использует эту реакцию, усиливая радиолокационный сигнал и направляя его вниз.^[1] Эти проблемы могут быть преодолены путем включения карты местности вокруг радара и устранения всех эхосигналов, которые, как представляется, возникают под землей или выше определенной высоты. Моноимпульс можно улучшить, изменив алгоритм высоты, используемый при малой высоте. В более новом радиолокационном оборудовании для управления воздушным движением используются алгоритмы для определения ложных целей путем сравнения текущих импульсов, отраженных от соседних, а также для расчета вероятностей возврата.

Контроль времени чувствительности (STC)

STC используется, чтобы избежать насыщения приемника из-за помех от земли, регулируя затухание приемника в зависимости от расстояния. К близким возвратам применяется большее ослабление, которое уменьшается по мере увеличения диапазона.

Однозначный диапазон

Одиночный PRF

В простых системах эхо-сигналы от целей должны быть обнаружены и обработаны до того, как будет сгенерирован следующий импульс передатчика, чтобы избежать неоднозначности дальности. Неопределенность диапазона возникает, когда время, необходимое для возврата эхо-сигнала от цели, больше, чем период повторения импульсов (T); если интервал между передаваемыми импульсами составляет 1000 микросекунд, а время возврата импульса от удаленной цели составляет 1200 микросекунд, видимое расстояние до цели составляет всего 200 микросекунд. В общем, эти «вторые эхо» появляются на дисплее как цели, находящиеся ближе, чем они есть на самом деле.

Рассмотрим следующий пример: если антенна радара расположена на высоте около 15 м над уровнем моря, то расстояние до горизонта довольно близко (возможно, 15 км). Наземные цели дальше этого диапазона не могут быть обнаружены, поэтому PRF может быть довольно высоким; радар с частотой повторения импульсов 7,5 кГц будет возвращать неоднозначные эхо-сигналы от целей на расстоянии около 20 км или над горизонтом. Однако если частота повторения импульсов была увеличена вдвое до 15 кГц, то неопределенная дальность уменьшится до 10 км, и цели за пределами этого диапазона будут появляться на дисплее только после того, как передатчик излучает еще один импульс. Цель на расстоянии 12 км будет казаться удаленной на 2 км, хотя сила эха может быть намного ниже, чем от реальной цели на расстоянии 2 км.

Максимальный однозначный диапазон изменяется обратно пропорционально PRF и определяется как:

${displaystyle {ext {Range}} _ {ext {max unambiguous}} = left ({frac {c} {2, PRF}} ight)}$

куда c это скорость света. Если для этой простой системы требуется более длинная однозначная дальность, тогда требуются более низкие значения PRF, и для радаров раннего поиска было довольно распространено иметь PRF на уровне нескольких сотен Гц, что давало однозначную дальность, значительно превышающую 150 км. Тем не менее, более низкие значения PRF создают другие проблемы, в том числе плохую окраску цели и неоднозначность скорости в Импульсный допплер системы (см. ниже ).

Множественная PRF

Современные радары, особенно радары воздушного боя в военных самолетах, могут использовать PRF в диапазоне от десятков до сотен килогерц и смещать интервалы между импульсами, чтобы определить правильную дальность. При этой форме ступенчатой ​​PRF, пакет импульсов передается с фиксированным интервалом между каждым импульсом, а затем еще один пакет передается с немного другим интервалом. Отражения от цели появляются в разных диапазонах для каждого пакет; эти различия накапливаются, и затем простые арифметические методы могут применяться для определения истинного диапазона. Такие радары могут использовать повторяющиеся шаблоны пакеты, или более адаптируемый пакеты которые реагируют на очевидное целевое поведение. Тем не менее, радары, использующие эту технику, универсальны. последовательный, с очень стабильной радиочастотой и пульсом пакеты может также использоваться для измерения доплеровского сдвига (изменение кажущейся радиочастоты, зависящее от скорости), особенно когда PRF находятся в диапазоне сотен килогерц. Радары, использующие эффекты Доплера таким образом, обычно сначала определяют относительную скорость по эффекту Доплера, а затем используют другие методы для определения расстояния до цели.

Максимальный однозначный диапазон

В самом упрощенном виде MUR (Максимальный однозначный диапазон) для последовательности импульсов может быть вычислен с использованием TSP (общего периода последовательности). TSP определяется как общее время, необходимое для повторения импульсного шаблона. Это можно найти, сложив все элементы в шахматной последовательности. Формула выводится из скорости света и длины последовательности^{[нужна цитата ]}:

${displaystyle MUR = left (c * 0,5 * TSPight)}$

где c - скорость света, обычно в метрах в микросекунду, а TSP - это сложение всех позиций последовательности смещения, обычно в микросекундах. Однако в ступенчатой ​​последовательности некоторые интервалы могут повторяться несколько раз; когда это происходит, целесообразнее рассматривать TSP как добавление всех уникальный интервалы в последовательности.

Кроме того, стоит помнить, что могут быть большие различия между MUR и максимальным диапазоном (диапазон, за пределами которого отражения, вероятно, будут слишком слабыми для обнаружения), и что максимальный инструментированный диапазон может быть много короче любого из них. Например, гражданский морской радар может иметь выбираемый пользователем максимум инструментированный отображать дальность действия 72, 96 или редко 120 морских миль, в соответствии с международным правом, но максимальная однозначная дальность более 40 000 морских миль и максимальная дальность обнаружения, возможно, 150 морских миль. Когда отмечаются такие огромные различия, это показывает, что основная цель ступенчатой ​​PRF состоит в уменьшении "помех", а не в увеличении однозначной дальности.

Радиолокационный сигнал в частотной области

Радары чистого CW отображаются в виде одной линии на Анализатор спектра дисплей и при модуляции другими синусоидальными сигналами спектр мало отличается от полученного с помощью стандартных аналоговая модуляция схемы, используемые в системах связи, такие как Модуляция частоты и состоят из носителя плюс относительно небольшое количество боковые полосы. Когда радиолокационный сигнал модулируется последовательность импульсов как показано выше, спектр становится намного сложнее и его труднее визуализировать.

Частотный спектр передачи базового радара

Базовый Анализ Фурье показывает, что любой повторяющийся сложный сигнал состоит из ряда гармонично связанные синусоидальные волны. Радар последовательность импульсов это форма прямоугольная волна, чистая форма которого состоит из основной плюс всех нечетных гармоник. Точный состав последовательность импульсов будет зависеть от ширины импульса и частоты повторения импульсов, но можно использовать математический анализ для расчета всех частот в спектре. Когда последовательность импульсов используется для модуляции несущей радара, будет получен типичный спектр, показанный слева.

Исследование этого спектрального отклика показывает, что он содержит две основные структуры. В грубая структура; (пики или «лепестки» на диаграмме слева) и тонкую структуру, которая содержит отдельные частотные компоненты, как показано ниже. Конверт долей в грубая структура дан кем-то: ${displaystyle {frac {1} {pi, f}}}$.

Обратите внимание, что ширина импульса (${displaystyle, au}$) определяет расстояние между лепестками. Меньшая ширина импульса приводит к более широким лепесткам и, следовательно, большей полосе пропускания.

Частота передачи РЛС точный спектр

Более детальное изучение спектральной характеристики, как показано справа, показывает, что тонкая структура содержит отдельные линии или точечные частоты. Формула для тонкой структуры определяется выражением ${displaystyle {frac {N} {T}}}$ и поскольку период PRF (T) появляется в нижней части уравнения точного спектра, будет меньше линий, если используются более высокие PRF. Эти факты влияют на решения, принимаемые разработчиками радаров при рассмотрении компромиссов, которые необходимо сделать при попытке преодолеть неоднозначности, влияющие на сигналы радаров.

Профилирование импульсов

Если времена нарастания и спада импульсов модуляции равны нулю (например, фронты импульсов бесконечно резкие), то боковые полосы будут такими, как показано на спектральных диаграммах выше. Полоса пропускания, потребляемая этой передачей, может быть огромной, а общая передаваемая мощность распределяется по многим сотням спектральных линий. Это потенциальный источник помех для любого другого устройства, а частотно-зависимые дефекты в цепи передачи означают, что часть этой мощности никогда не достигает антенны. В действительности, конечно, невозможно добиться таких острых краев, поэтому в практических системах боковые полосы содержат гораздо меньше линий, чем идеальная система. Если полоса пропускания может быть ограничена включением относительно небольшого количества боковых полос, путем преднамеренного спада фронтов импульсов, может быть реализована эффективная система с минимальным потенциалом помех для соседнего оборудования. Однако недостатком этого является то, что медленные фронты ухудшают разрешение диапазона. Ранние радары ограничивали полосу пропускания за счет фильтрации в цепи передачи, например волновод, сканер и т. д., но производительность может быть спорадической, когда нежелательные сигналы пробиваются на удаленных частотах, а края восстановленного импульса не определены. Дальнейшее изучение основного спектра радара, показанного выше, показывает, что информация в различных лепестках грубого спектра идентична информации, содержащейся в главном лепестке, поэтому ограничение полосы пропускания передачи и приема до такой степени дает значительные преимущества с точки зрения эффективности и шума. снижение.

Частотный спектр пропускания радара трапециевидного профиля импульса

Последние достижения в технологиях обработки сигналов сделали более распространенным использование профилирования или формирования импульсов. Путем формирования огибающей импульса до того, как она будет применена к передающему устройству, скажем, по закону косинуса или трапеции, можно ограничить полосу пропускания в источнике с меньшей зависимостью от фильтрации. Когда этот прием сочетается с сжатие импульса, тогда может быть достигнут хороший компромисс между эффективностью, производительностью и разрешением по дальности. На диаграмме слева показано влияние на спектр трапецеидального профиля импульса. Видно, что энергия в боковых полосах значительно снижена по сравнению с основным лепестком, а амплитуда главного лепестка увеличена.

Частотный спектр пропускания РЛС профиля косинусоидального импульса

Точно так же использование профиля косинусоидального импульса имеет еще более заметный эффект, когда амплитуда боковых лепестков практически становится незначительной. Главный лепесток снова увеличивается по амплитуде, а боковые лепестки соответственно уменьшаются, что дает значительное улучшение характеристик.

Существует множество других профилей, которые можно использовать для оптимизации производительности системы, но профили косинуса и трапеции обычно обеспечивают хороший компромисс между эффективностью и разрешением и поэтому, как правило, используются наиболее часто.

Однозначная скорость

Доплеровский спектр. Умышленно не указаны единицы (например, это могут быть дБн и МГц).

Это проблема только для определенного типа системы; то импульсно-доплеровский радар, который использует Эффект Допплера для определения скорости по кажущемуся изменению частоты, вызванному целями, имеющими чистую лучевую скорость по сравнению с радаром. Исследование спектра, генерируемого импульсным передатчиком, показанным выше, показывает, что каждая из боковых полос (как грубая, так и мелкая) будет подвержена эффекту Доплера, что является еще одной веской причиной для ограничения ширины полосы и спектральной сложности с помощью профилирования импульсов.

Рассмотрим положительный сдвиг, вызванный приближающейся целью на диаграмме, которая была сильно упрощена для ясности. Видно, что по мере увеличения относительной скорости будет достигнута точка, в которой спектральные линии, составляющие эхо-сигналы, будут скрыты или скрыты. псевдоним по следующей боковой полосе модулированной несущей. передача нескольких импульсных пакетов с разными значениями PRF, например ступенчатые PRF разрешат эту неоднозначность, так как каждое новое значение PRF приведет к новому положению боковой полосы, раскрывая скорость для приемника. Максимальная однозначная скорость цели определяется как:

${displaystyle pm {frac {c, PRF} {4, f}}}$

Типичные параметры системы

Учет всех вышеперечисленных характеристик означает, что на разработчика РЛС накладываются определенные ограничения. Например, система с несущей частотой 3 ГГц и шириной импульса 1 мкс будет иметь период несущей приблизительно 333 пс. Каждый переданный импульс будет содержать около 3000 несущих циклов, а значения неоднозначности скорости и диапазона для такой системы будут:

Смотрите также

• Сглаживание - причина неоднозначных оценок скорости
• Радар непрерывного действия (неимпульсная, чистая доплеровская обработка)
• Метеорологический радар (импульсный с доплеровской обработкой)

Рекомендации

• Современные радиолокационные системы Хамиша Мейкле (ISBN  0-86341-172-X)
• Advanced Radar Techniques and Systems под редакцией Гаспаре Галати (ISBN  1-58053-294-2)